红砂岩分布区挖方路基处理与防护

2022-09-10

南京绕越高速公路东南段刘村互通, 为双喇叭互通, 主线上跨被交路, 该互通主要解决绕越主线与宁马高速公路间的交通转换, 为南京三桥、南京市区和马鞍山间的沟通服务。互通区域地貌类型属于剥蚀堆积波状平原 (岗地、岗间平地两个亚类) 地貌, 间有冲沟发育, 地形起伏较大。经勘探揭示及路基开挖后验证, 南京绕越高速公路东南段在剥蚀堆积波状平原岗丘段存在红砂岩。

1 挖方段红砂岩路基存在的问题

有关红砂岩的路基填筑在分布较广的江西、湖南等地区已有较为成熟的经验, 但在南京地区, 很少出现红砂岩, 利用红砂岩填筑路基的成功案例并不多。

红砂岩易风化、崩解, 尤其在水的作用下强度会显著降低, 在挖方段, 存在三个问题需要解决:

(1) 挖方段路床基底处理。

(2) 挖余的红砂岩是否可利用。

(3) 挖方段两侧边坡怎样防护。

针对上述三个问题, 在红砂岩的挖方地段进行了现场调查, 并组织进行了红砂岩工程特性试验, 在分析试验成果及综合考虑各种因素的基础上, 提出了红砂岩挖方段路基处理及两侧边坡防护的可行方案。

2 红砂岩的工程地质特征及分类

2.1 红砂岩的定义

泥质砂岩, 砂岩, 泥质或砂质页岩等沉积类岩石, 其中多数因富含铁的氧化物而呈红色、深红色或褐色, 开挖后, 随着时间的推移, 在大气、阳光、特别是雨水的作用下易崩解, 该类岩石称红砂岩。

2.2 红砂岩的工程性质

红砂岩主要工程性质特征为:

(1) 崩解性, 红砂岩在干湿循环的作用下, 易崩解成小碎块, 体积略有增加, 崩解后的红砂岩遇水软化, 强度下降较快。

(2) 高吸水性, 一旦红砂岩崩解或碾压成细粒状, 其吸水性较强, 很快达到饱和状态, 压实度虽能达到要求, 但仍有较大的孔隙率, 其透水性相对较强。

(3) 易风化性, 在外力作用下, 由于大气、温度、湿度的影响, 红砂岩易风化, 破碎。

2.3 红砂岩的工程分类

根据红砂岩的浸水崩解性强弱将其分为三种类型:

(1) 一类红砂岩:亲水性粘土矿物含量高, 烘干试样浸水24小时后呈泥状或渣状崩解, 其单轴极限抗压强度小于15Mpa。

(2) 二类红砂岩:烘干试样浸水24小时后呈块状崩解, 一般具有碎屑结构特征, 其单轴极限抗压强度小于或稍大于15Mpa。

(3) 三类红砂岩:烘于试样浸水24小时后不崩解, 或棱角处少量崩解, 且崩解量小于总重量的1%。其强度较高, 与普通未风化砂岩的性质接近, 单轴极限抗压强度可达60~70Mpa。

经现场观察, 南京绕越高速公路东南段刘村互通岗丘段开挖的红砂岩暴露后, 较大的岩块很快会风化碎块状, 手可折断, 其强度明显低于15Mpa, 经一场雨过后, 风化成的小块崩解成泥状及砂土状, 故可判断本区存在的红砂岩属一类红砂岩。

3 红砂岩填筑路基方法及红砂岩的利用与弃除比较

3.1 红砂岩路基填筑方法

经收集文献资料, 采用红砂岩填筑路基时, 主要采用以下一些处理方法:

(1) 预崩解:即将红砂岩在填筑路基之前预先进行崩解处理。其处理方法是在料场将红砂岩实施洒水的预崩解处理, 使其水活性消除或基本消除, 大颗粒减小, 残存的颗粒得以软化, 然后再运往路堤填筑。

(2) 耙压:是指用推土机将运至工点的红砂岩填料推平, 并借助推土机的履带将粗颗粒压碎。

(3) 碾压密实:使用大吨位振动压路机, 利用其巨大的振动压实能使红砂岩颗粒密实。

(4) 隔断外界水分:采用非透水性材料如石灰土对路堤边坡进行包边。

(5) 掺料处理:掺入一定剂量的石灰如采用掺5%的石灰拌合整平后碾压密实, 形成石灰稳定层, 以增强稳定土体的刚度、强度, 降低水活性, 提高水稳定性。

3.2 红砂岩利用与弃除比较

经现场察看本区红砂岩的分布、埋藏条件及对红砂岩进行试验的基础上, 设计对挖方多余的红砂岩利用与弃除进行了优缺点比较, 详见表1。

由于本段红砂岩美分布范围窄, 埋藏较浅, 红砂岩的崩解将导致路基水稳定性较差, 其风化的差异性将导致路基沉降的不均匀性, 再考虑到工期的要求, 设计考虑暂将此段的红砂岩弃除。

将此段的红砂岩寻找到合适的弃土场暂时妥善堆放。红砂岩经过长时间的雨水、阳光等的作用后, 达到了对红砂岩的预处理的目的。等消除红砂岩的活性后, 对其进行试验检测, 在合理分配工期和考虑运距的基础上, 可作为下一个道路工程项目的填筑材料来源。

4 红砂岩挖方段路基处理

4.1 红砂岩常规及特殊性试验

为了搞清本区红砂岩的性质, 现场除作了常规的CBR试验、压实度试验外, 现场作了崩解性试验、膨胀性试验。不掺石灰的压碎红砂岩, 其CBR值为2.4, 其强度较小。经土的自由膨胀率测试, 其膨胀率为10%。

根据《公路路基设计规范》 (JTG D30-2004) , 红砂岩的CBR值不满足高速公路路基填筑要求, 需要对红砂岩进行处理后才能填筑路基。

4.2 红砂岩挖方段路基基底处理方案

由于红砂岩易于崩解, 基底不经处理, 压实度很难达到94%, 故需在红砂岩挖方段挖至路床底后, 需要再向下挖除一定厚度的红砂岩, 并对基底经过压实处理后, 回填较好的非透水性材料如符合规范要求的一般粘性土、石灰土、水泥土等, 再铺筑路床。经过试验, 本区采用40cm厚3%石灰土换填后, 基底压实度及填料强度满足规范要求。

5 红砂岩挖方路基边坡防护

由于红砂岩体多为砂岩、泥岩、粉砂岩、页岩互层, 软硬交互成层, 为易风化软质岩石, 且其风化速度各不相同, 故在岩性上有明显的不均匀性;其边坡岩体破碎、透水性强。若采用浆砌片石或水泥预制块防护, 可起到隔水, 加固土体的作用, 但其工程造价高, 且不美观, 与自然相融合程度差。采用植草防护, 一方面草不宜在此土壤上成活, 另一方面, 边坡在水的作用下容易崩解, 导致边坡剥落, 故直接植草的方案不可行。

根据收集到的相关红砂岩边坡防护资料, 在红砂岩地区, 挖方边坡常采用植生袋法、土工格室、锚杆加固和客土喷播等方法进行防护。

结合南京绕越刘村互通项目的实际, 其挖方段范围小, 边坡较缓且边坡高度小于8m, 设计考虑采用江苏省较为成熟的客土喷播方法加以防护。